00:58 ICT Chủ nhật, 21/09/2014

Sơ đồ nguyên tắc, cơ cấu điều khiển của máy bay trực thăng

Thứ tư - 10/03/2010 01:42
Máy bay UH-1 loại quân đội Mỹ sử dụng rộng rãi nhất trong chiến tranh Việt Nam

Máy bay UH-1 loại quân đội Mỹ sử dụng rộng rãi nhất trong chiến tranh Việt Nam

Khi đĩa cánh quạt nâng quay, theo định luật bảo toàn mô men động lượng thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngược lại với vận tốc quay phụ thuộc vào tỷ lệ mô men quán tính của rotor (cánh quạt và phần quay) và stator (thân máy bay và các phần còn lại), để chống lại hiện tượng tự quay này người ta thực hiện theo nhiều phương án khác nhau thông qua các sơ đồ nguyên tắc khác nhau.
Ngoài ra các sơ đồ này cũng cho thấy các phương án điều khiển máy bay ở các khía cạnh khác.

1. Sơ đồ cơ bản

Đây là sơ đồ "một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi": Khi cánh quạt nâng quay, thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngược lại, để chống lại hiện tượng tự quay này máy bay trực thăng có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, thổi gió theo chiều ngang. Lực đẩy của cách quạt đuôi tạo nên mô men lực đuôi có tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục cánh quạt nâng sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay giữ hướng cố định cho máy bay. Ngoài ra cánh quạt đuôi này còn có tác dụng để lái đổi hướng bay cho trực thăng: khi phi công đạp bàn đạp "chống xoay" ("anti-torque") cánh quạt đuôi sẽ thay đổi lực đẩy gió ngang làm thay đổi mô men đuôi. Đây là sơ đồ được gọi là sơ đồ Sikorsky theo tên của nhà tiên phong trong lĩnh vực trực thăng nhà sáng lập hãng trực thăng Sikorsky aircraft corporation nổi tiếng ngày nay.

                             
                        Máy bay Sikorsky S-92 Mỹ là loại máy bay điển hình theo sơ đồ cơ bản

Sơ đồ cơ bản này có ưu điểm rất lớn là rất đơn giản về kỹ thuật, độ ổn định cao, độ tin cậy của các cơ cấu máy tốt. Chính vì các ưu điểm này nên 95% số trực thăng trên thế giới là theo sơ đồ này. Mặt khác nó cũng có một số nhược điểm: vì chỉ có một cánh quạt nâng chịu toàn bộ trọng lực máy bay và lực đẩy ngang nên đường kính cánh quạt và vận tốc quay phải lớn, dễ dẫn đến các hiện tượng cộng hưởng rung lắc gây gẫy cánh quạt và hiệu suất cánh quạt không thật cao vì phần đầu mút cánh quạt ở một phía có thể phải hoạt động trong điều kiện vận tốc siêu âm.

Công suất để hoạt động cánh quạt đuôi chiếm khoảng 20%-30% công suất động cơ máy bay là công suất phí phạm không giúp gì cho việc nâng máy bay và chuyển động thẳng. Loại sơ đồ này rất ngại gió mạnh thổi ngang thân (làm vô hiệu hoá cánh quạt đuôi) do đó kén điều kiện thời tiết. Và vì phải có đuôi làm tay đòn cho mô men cánh quạt đuôi nên độ dài máy bay bị kéo dài không có lợi cho đặc tính kích thước.Tuy nhiên có nhiều nhược điểm lớn .

2. Sơ đồ chỉ một cánh quạt nâng

Sơ đồ này còn gọi là sơ đồ NOTAR viết tắt từ tiếng Anh NO TAil Rotor nghĩa là "trực thăng không cánh quạt đuôi" nó giống sơ đồ cơ bản chỉ có điều nó không có cánh quạt đuôi để tạo mô men đuôi mà dựa vào hiệu ứng Coandă theo tên của nhà tiên phong hàng không Henri Coandă người Romania: khi dòng khí phụt ra, nó có xu hướng bám dính vào thành vật thể cứng và tạo lực và mô men chống lại mô men quay thân máy bay.

Loại máy bay không cánh quạt đuôi này có hệ thống dẫn và bơm khí chạy ra đuôi và được phụt ra theo van phun tiết lưu. Khi phi công ấn pê đan chống xoay "anti-torque" sẽ điều khiển van phun tiết lưu tăng giảm giòng khí phụt ra làm tăng giảm mô men chống quay và sẽ hiệu chỉnh hướng bay (sự quay đầu) của máy bay.


                                        
Máy bay trực thăng MD-902 của Mc Donnell Douglas không có cánh quạt đuôi có thể thấy ống phụt khí ở cuối đuôi


Hiện nay sơ đồ này còn đang rất mới, chỉ có hãng Mc Donell Douglas áp dụng và gọi là trực thăng MD vì vậy sơ đồ này cũng gọi là "sơ đồ trực thăng MD" chưa có các số liệu để đánh giá tính ưu việt và nhược điểm của sơ đồ này.

3. Sơ đồ hai cánh quạt nâng đồng trục

Sơ đồ "hai cánh quạt nâng đồng trục" còn gọi là sơ đồ Kamov theo tên của tổ hợp thiết kế – chế tạo Kamov của Liên Xô và Nga chuyên chế tạo trực thăng loại này và ngày nay cũng chỉ có hãng này làm máy bay trực thăng theo sơ đồ này, đây là "đặc sản" trực thăng Kamov của Liên Xô (tuy không phải do Liên Xô phát minh ra).

Đặc điểm của sơ đồ này là không có cánh quạt đuôi mà có 2 bộ cánh quạt nâng đồng trục quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô men quay thân máy bay. Khi máy bay muốn quay đầu để rẽ hướng phi công ấn pê đan "anti-torque" sẽ tạo ra chênh lệch vận tốc quay của hai tầng cánh quạt đồng trục và máy bay sẽ quay thân tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn.

                                      
Máy bay trực thăng chống tàu ngầm Kamov Ka-25 của Hải quân Xô Viết – Nga loại 2 cánh quạt nâng đồng trục đang hạ cánh trên chiến hạm

Loại máy bay này có nhiều ưu điểm lớn: vì có 2 cánh quạt nâng nên đường kính, vận tốc quay của cánh quạt không cần lớn lắm cho phép cánh quạt hoạt động trong khoảng hiệu suất cao nhất, và độ an toàn chống cộng hưởng, chống rung giật cánh quạt tốt, không mất phần công suất hoang phí như loại Sikorsky.

Đặc biệt tính cơ động của nó là hoàn hảo, tốt nhất trong các phương án trực thăng: nó có thể trong một khoảnh khắc đột ngột di chuyển theo nhiều hướng phải – trái, tiến – lùi và lên – xuống một cách rất linh hoạt (Loại Kamov Ka-50 của Nga có thể bay ngang thân sang phải, trái 80 km/giờ, bay lùi 90 km/giờ thay đổi chế độ bay trong vài giây), loại máy bay này có thể bay các loại hình pilotage (hình nhào lộn) mà các loại trực thăng khác không thể thực hiện được, rất dễ điều khiển.

Vì không có cánh quạt đuôi nên loại này không ngán ngại gió thổi ngang, có thể cất cánh hạ cánh, bay treo và hoạt động ở mọi điều kiện thời tiết, và một ưu điểm nữa là vì kích thước cánh quạt nhỏ, không đuôi nên loại này có kích thước rất nhỏ gọn. Vì các ưu thế trên nên loại máy bay này là trực thăng chủ yếu của Hải quân xô viết và Nga ngày nay nhất là trên các hạm tàu chống tàu ngầm của nước này.

Loại này đồng thời có những nhược điểm: cánh quạt với hệ thống biến bước "collective" và "ciclic" bản thân đã là phức tạp nay lại thêm cơ cấu "trục trong trục" ngược chiều quay thì là quá phức tạp. Hệ thống đồng trục là bộ phận hay gặp nhiều rủi ro nhất của loại máy bay này. Và vì có 2 tầng cánh quạt, có độ cơ động tốt nên khi có chuyển động đột ngột có thể gây ra chạm cánh quạt vào nhau.

4. Sơ đồ hai cánh quạt nâng không đồng trục

Đây là phương án máy bay có hai cánh quạt nâng không đồng trục thường gắn ở đầu và đuôi máy bay, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô men tự quay thân. Khi muốn quay đầu rẽ hướng phi công điều khiển bàn đạp "anti-torque" sẽ làm phát sinh chênh lệch vận tốc quay của hai đĩa cánh quạt và thân máy bay quay tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn. Loại này điển hình là các máy bay vận tải lớn rất khoẻ như loại cần cẩu bay Boeing CH-47 Chinook của Hoa Kỳ.

Vì có hai cánh quạt nên hiệu suất cánh quạt và độ an toàn cộng hưởng, chống rung lắc tốt, không có công suất phí phạm. Loại sơ đồ này có sức nâng rất tốt và thường được dùng làm cần cẩu bay, nhưng nó có nhược điểm lớn là rất khó điều khiển và tính cơ động kém.

                             
                             Máy bay Belvedere loại hai cánh quạt nâng không đồng trục

Ngoài ra Hoa Kỳ còn các loại Kamans là loại 2 bộ cánh quạt nâng đặt cạnh nhau hai trục xiên góc với nhau theo hình chữ "V", cánh quạt quay ngược chiều và đồng bộ ăn khớp (để không chém vào nhau) lấy theo mẫu của trực thăng chiến đấu Flettner FL-282 Kolibri của Đức, đây cũng là một phiên bản gần của sơ đồ này.

5. Sơ đồ cánh quạt nâng tự do

Đây là loại máy bay theo tiếng Anh là Autogyro hay gyroplane hay gyrocopter tiếng Nga là Автожир. Đây là loại trực thăng có cánh quạt nâng tự do là loại máy bay đặc biệt lai tạp giữa máy bay có cánh cố định và trực thăng. Điểm đặc biệt của loại này là cánh quạt nâng của nó là cánh quạt nâng tự do (không nối với động cơ), mà động cơ là để lai cánh quạt đứng thổi gió theo chiều ngang như cánh quạt đẩy chuyển động ngang của máy bay thông thường. Động cơ lai cánh quạt đứng thổi gió ngang về phía sau làm máy bay chuyển động về phía trước, dòng khí chuyển động tương đối theo phương nằm ngang sẽ làm quay cánh quạt nâng tự do, làm phát sinh lực nâng khí động học và làm máy bay bay lên được.

Cơ chế điều khiển thì đơn giản như của máy bay cánh cố định. Điển hình nhất của loại này là máy bay Kamov K-22 của Liên Xô là một trong những máy bay trực thăng lớn nhất từ xưa đến nay. Loại này đứng trung gian giữa máy bay có cánh cố định thông thường và trực thăng: không bay đứng, không cất cánh, hạ cánh thẳng đứng được nhưng lại có cánh quạt nâng làm cho máy bay có thể cất cánh với tốc độ nhỏ, đường băng ngắn, trọng tải chở nặng tốt.
 
                                  
       Máy bay cánh quạt nâng tự do Kamov K-22 loại lai giữa trực thăng và máy bay thông thường


Loại sơ đồ này có ưu điểm rất lớn là khi gặp tai nạn trên không, máy bay rơi thì cánh quạt nâng tự do sẽ quay và có tác dụng như chiếc dù làm máy bay tiếp đất an toàn. Ngày nay loại trực thăng này không được phát triển nữa mà chỉ còn làm máy bay thể thao, giải trí cực nhỏ mà thôi, đây là sản phẩm rất nổi tiếng của hãng Cierva Autogiro Company của Tây Ban Nha.

6. Sơ đồ cánh quạt xoay hướng

Đây cũng là một loại lai tạp giữa máy bay có cánh cố định và trực thăng. Cấu tạo của loại máy bay này về cơ bản giống máy bay cánh cố định chỉ khác là cánh quạt đẩy ngang có thể quay một góc 90° để thổi gió xuống phía dưới theo chiều thẳng đứng. Khi máy bay cất cánh, hạ cánh cánh quạt quay hướng thổi gió xuống dưới tạo lực nâng cho máy bay cất cánh, hạ cánh thẳng đứng. Khi đã lên đến độ cao cánh quạt lại quay về vị trí bình thường thổi gió về phía sau theo chiều ngang đẩy máy bay chuyển động thẳng theo chiều ngang và lực nâng do cánh cố định tạo ra như một máy bay cánh cố định bình thường.

                        
              Máy bay Osprey V-22 của Hải quân Hoa Kỳ loại cánh quạt xoay hướng


Cơ cấu điều khiển đơn giản giống của máy bay cánh cố định. Loại này kết hợp được cả đặc tính của máy bay và trực thăng nhưng có một điểm yếu lớn là cánh quạt vừa làm nhiệm vụ cánh quạt đẩy ngang của máy bay thông thường vừa làm nhiệm vụ cánh quạt nâng theo chiều thẳng đứng của trực thăng, mà hai loại cánh quạt này có tính chất và cấu tạo rất khác nhau do đó cánh quạt và máy bay này có hiệu suất thấp nên loại này không có ứng dụng rộng rãi chỉ sản xuất đơn chiếc theo chuyên dụng hạn hẹp. Điển hình nhất của loại này là máy bay Osprey V-22 của Hải quân Hoa Kỳ

Trên đây là một số loại sơ đồ nguyên tắc chính được áp dụng trong chế tạo trực thăng. Ngoài ra còn rất nhiều kiểu sơ đồ khác nữa, mỗi một phát minh thường đi kèm với một loại sơ đồ mới nhưng hiện nay chúng chưa có ứng dụng rộng rãi và chưa chứng minh được hiệu quả kỹ thuật hàng không.

Tác giả bài viết: Hà Phương

Nguồn tin: Wikipedia

Tổng số điểm của bài viết là: 8 trong 2 đánh giá
Click để đánh giá bài viết

Theo dòng sự kiện

Xem tiếp...

Những tin mới hơn

Những tin cũ hơn

 

global block category